高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及可用帶寬估計(jì)研究.pdf

1、高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)(High-PerformanceSensorNetworks，HPSN)作為信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystems，CPS)和物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)的重要網(wǎng)絡(luò)支持層，它的研究涉及了體系結(jié)構(gòu)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、多元數(shù)據(jù)流的區(qū)分服務(wù)、實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)保證等，可以解決傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)無法處理高質(zhì)量的視頻監(jiān)控、多元化信息采集和處理、復(fù)

2、雜任務(wù)的調(diào)度和對(duì)物理對(duì)象的控制等諸多問題，同時(shí)為業(yè)務(wù)提供QoS保證，可在軍事國防、工業(yè)制造業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，獲得國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　 在通信和控制方面的應(yīng)用復(fù)雜性不斷擴(kuò)展，需要高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)為不同業(yè)務(wù)提供足夠的業(yè)務(wù)可用性保障，然而高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的共享、多跳、分布式、信道非對(duì)稱、資源受限和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化等問題都為其帶來巨大挑戰(zhàn)。人們要求能在高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸有QoS保證的

3、多元化業(yè)務(wù)，而獲取高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路徑的可用帶寬信息是一個(gè)重要前提。只有得到節(jié)點(diǎn)和路徑的可用帶寬信息才有可能使帶寬敏感的信道接入?yún)f(xié)議、QoS路由協(xié)議和實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議得到高效運(yùn)行，達(dá)到最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。
　　 針對(duì)如何獲取可用帶寬信息問題，本文重點(diǎn)研究高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、多元業(yè)務(wù)的區(qū)分服務(wù)、節(jié)點(diǎn)可用帶寬估計(jì)、路徑可用帶寬估計(jì)等內(nèi)容，主要包括:
　　 (1)采用跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了

4、一種高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。并對(duì)高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想、主要特點(diǎn)、各層功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，提出了系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法。該結(jié)構(gòu)不僅具備高性能和能量高效等特征，還能為面向高性能的傳感器網(wǎng)絡(luò)各類協(xié)議的研究提供一個(gè)統(tǒng)一的問題描述和分析的理論框架。
　　 (2)針對(duì)傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)不能夠?yàn)榫哂胁煌琎oS要求的通信流提供區(qū)分服務(wù)問題，提出了一種區(qū)分服務(wù)與速率控制策略。該策略將網(wǎng)絡(luò)中的通信流分為了六類，每一類通信流設(shè)置

5、為不同的優(yōu)先級(jí)，父節(jié)點(diǎn)采用基于優(yōu)先級(jí)的速率調(diào)整算法為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配不同的最大發(fā)送速率，從而使高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流獲得高吞吐量和低延遲，達(dá)到區(qū)分服務(wù)的目的，并能夠保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的穩(wěn)定。
　　 (3)針對(duì)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)無線信道導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)帶寬測(cè)量不準(zhǔn)確的問題，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分配向量的節(jié)點(diǎn)可用帶寬估計(jì)策略。在該策略中，節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)平均競(jìng)爭(zhēng)窗口大小預(yù)測(cè)碰撞概率，進(jìn)而估計(jì)出數(shù)據(jù)幀重傳次數(shù);然后通過收集鄰居節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送的Hello分組，獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)

6、絡(luò)分配向量值;最后采用統(tǒng)計(jì)平均的方法估計(jì)出節(jié)點(diǎn)可用帶寬。仿真結(jié)果表明該策略能夠準(zhǔn)確地估計(jì)高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可用帶寬，并且不用發(fā)送主動(dòng)探測(cè)分組，不影響網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，具有較為廣泛的適用性。
　　 (4)針對(duì)源節(jié)點(diǎn)無法獲知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息而發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的問題，提出了一種新穎的路徑可用帶寬估計(jì)策略。該策略在MAC層中引入一個(gè)跨層模塊，估計(jì)出MAC層的帶寬和延遲信息，然后利用TCP協(xié)議的選項(xiàng)字段進(jìn)行逐跳

7、累積傳輸，最后反饋到源節(jié)點(diǎn)，用于調(diào)整源節(jié)點(diǎn)TCP協(xié)議的擁塞窗口和慢啟動(dòng)閾值，進(jìn)而調(diào)整源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送速率，達(dá)到緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。該策略可以充分利用多變的網(wǎng)絡(luò)可用容量傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)包，保證網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，使得高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性能明顯提高。
　　 (5)針對(duì)RFID網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)分離建設(shè)，不能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的問題，設(shè)計(jì)了一種高性能智能節(jié)點(diǎn)，用于融合RFID網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了高